基于物联网技术的校园照明无线监控系统

引言

随着各高等院校对教育投入的加大，校园亮化和美化已成为高等院校的实事工程。校园照明系统具有鲜明的特点，而路灯的使用具有明显的时间性，教室照明灯的使用又具有明显的无序性。目前,关于校园照明控制研究的重点主要集中在如何解决教室照明无序控制问题，并已形成了诸如声光控制方案、热释电红外感应方案、定时灭灯方案、人员流量统计方案等多种解决方案。这些方案在解决单点控制方面已取得了很好的效果，但在远程监控方面还明显不足,也无法解决故障监测、远程控制等问题。为实现远程监控,业界也提出了诸如电力线载波方案、GSM方案.ZigBee方案等，但电力线载波在通讯中无法换相；GSM方案成本高、时延大;ZigBee方案通信距离近、穿透力不足，因而应用效果并不理想。为此，本文提出了基于ZigBee、GPRS技术的解决方案。

1  系统组成及功能

本系统由监控层、中间层和子网等三层网络组成，如图1所示。监控层主要包括PC上运行的照明管理系统，主要用于实现控制指令的交互，并支持分级管理和设备监视,可通过B/S进行信息发布；子网主要包括ZigBee无线节点设备和照明控制设备，后者用于路灯的供电、驱动和控制，而前者则用于光照等信息参数的釆集及组网，主要根据当前的时段、光照强度、控制指令等参数，向路灯控制箱发出有关指令,如开灯、关灯、调节亮度，并能根据反馈信息判断当前路灯的运行状态，如是否有故障等；中间层一般由每个子网的协调器及GPRS网络组成，提供有基于ZigBee的无线接入和面向GPRS的通讯接口，可支持多种中心模式和多种激活模式工作，它可以通过GPRS将子网内的数据信息传送到监控层。

2  无线网络的构建

由于ZigBee的标准传输距离只有75m,一般可无线覆盖整个校园，因此本系统全网采用ZigBee+GPRS方案，其整体网络拓扑结构如图2所示。根据校园路灯及教室照明灯的布局特点，系统中的子网采用教室照明灯和校园路灯分区域组网模式。由于在实验中发现,ZigBee跨楼层通信能力可能不足，因此，教室照明灯采用按楼层分区控制方案，即在每个楼层安装一个协调器，每间教室安装一个ZigBee无线节点和照明控制设备。教室内的各种灯通过编码识别方式由照明控制设备控制，无线节点的设置采用如图2所示的方案结构，即将FFD和RFD间隔放置。通过NS-2仿真分析，图3所示方案在分组投递率、平均端到端时延、平均跳数和路由开销等方面，相比子网全部为FFD方案有明显的改善，能有效地减少路由请求包发送数目和网络拥塞，提高网络性能。 

3  照明控制单元设计

校园照明主要采用传统高压钠灯、日光灯和LED灯。传统高压钠灯、日光灯可使用一个用户接口板（该接口板以CortexM3为处理核心，配备有基础电源模块、电流和电压检测电路、光敏传感器和热释电红外传感器电路、ZigBee无线通讯模块）和一个独立的可调镇流器，来实现三级亮度调节和开关控制，图4所示是其子系统组成图。由于高压钠灯仅用于路灯，故在其用户接口板中没有启用热释电红外传感器电路模块。

LED系统中的控制器接口与LED驱动部分可使用一个脉宽调制的数字信号输出，可提供一个从0%〜100%的无极调光机制,其组成框图如图5所示。在这两个子系统中，接口板同时利用模拟信号向微控制器反馈灯的电压和电流信息，以便远程诊断灯的状态提供依据。

4  系统工作过程

该系统中的每个节点都使用了ZigBee协议，该ZigBee协议中已经提供了众多的函数，包括新建网络、设备加入和离开网络、发送网络信标帧、寻找父节点和子节点、发送和接收数据包等。在系统工作的过程中，网络协调器负责建立网络和接收节点发送来的路灯信息,并根据照明灯的状况发送控制信号到照明灯控制节点。ROUTER节点一般处于监控状态，可接收其他节点发送的信息并决定是否转发，同时也将自身路灯的信息发送到协调器;接受协调器的控制信号，控制路灯的打开或关闭。RFD节点功能最为简单，用于实时接收协调器发送的控制命令，并向上返回路灯目前状态。图6所示为系统开灯的工作流程图，图中同时反映了数据包的流向。系统应用软件采用C/S结构。图7所示为PC客户端的显示界面，由图7可见，该系统提供有设备管理、照明控制、短信办公、数据报表等功能。

5  结语

目前的校园照明系统主要采用自动化技术，但这些技术都非网络化控制技术。基于ZigBee和GPRS的照明控制系统可根据学校的照明特点，釆用分区域控制模式，这样，监控中心不仅能够根据光照度变化及时开关灯、随时调整路灯的开关灯时间，实现1/2、1/3、1/4等亮灯模式和任意灵活的亮灯模式组合，而且还能够根据实时釆集的数据来进行故障分析，并以短消息方式将故障信息发送至照明系统管理人员的手机，以便及时维护。